随機數是密碼算法的基礎，幾乎所有的密碼學算法都需要使用随機數。随機數由随機數發生器産生，資料流中的每一位都是不可預算的、偶然的，但是從一定長度的資料流來看，它又符合某種分布。随機數發生器具備以下三個屬性：（1）看起來具備随機性；（2）不可預測性；（3）不能被可靠地重複産生。
通常随機數發生器可分為三種：真随機數發生器（TRNG，True Random Number Generator）、僞随機數發生器（PRNG，Pseudo Random Number Generator）和密碼學安全随機數發生器（CSPRNG，Cryptographically Secure Pseudo Random Number Generator）。
TRNG是真正的随機數，來源難以獲得。包括實體噪聲類的發生器，如離子輻射事件的脈沖檢測器、氣體放電管和帶洩漏的電容；電腦的硬體中斷、定時器偏差等。
PRNG是通過某一種确定算法來生成随機數，它們并不是真正的随機數，而是看起來是随機的，即可以通過我們所能找到的所有随機性統計檢驗。由于這些數字有可重複性，是以它們是僞随機數。很多編譯器都提供有自帶的随機數發生器rand()或random()。
CSPRNG除了具備PRNG的屬性外，還具備一些密碼學要求的屬性。
粒子的狀态是随機的，比如磁量子數，自旋，主量子數，每一個狀态事先标定對應一個數，然後再進行測量，這樣你就可以得到一串真正的随機數，是以，我們這次提到的量子随機數發生器（QRNG，Quantum Random Number Generator）是真随機數發生器。
工作原理
QRNG種類繁多，原理各不相同，目前較為成熟且已商用化的包括基于相位漲落QRNG、基于真空噪聲QRNG、基于放大自發輻射QRNG和基于分支路徑QRNG。4類QRNG的技術特點總結如下所示。
其中以基于放大自發輻射的QRNG為例介紹其工作原理。在QRNG的設計中，人們受到的最大制約在于量子噪聲比較微弱，探測難度較大，即使可以探測，由于信号本身很弱，十分容易受到經典噪聲的幹擾，比如基于量子真空态漲落的量子随機數發生器方案中，平衡零拍探測器的探測結果本身就會受到本征光強度漲落的影響，并且在後面的電放大過程中也會受到電噪聲的幹擾，是以科研工作者一直在探索一種量子随機源可以提供較強的量子随機信号，并且随機源本身不會受到經典噪聲的幹擾。
為獲得更高速的QRNG，ASE噪聲被廣泛研究并應用于QRNG的噪聲源，ASE噪聲源可采用泵浦的摻铒光纖（EDFA）、超輻射發光二極管（SLD）、半導體光放大器（SOA）等，其輸出光強本質上來自于原子的自發輻射，是一個量子随機過程——不同原子發生自發輻射效應的機率是完全随機的，那麼光源輸出ASE瞬時光功率也是随機的，是良好的實體噪聲源。基于ASE光源QRNG的基本實體構架如下：
基于ASE的量子随機數發生器
ASE光源子產品輸出放大自發輻射光量子噪聲信号；光電探測器用于實作對ASE噪聲進行光電變換，将ASE光噪聲信号轉換為易于采集處理的模拟電噪聲信号；ADC器件将光電探測器輸出的模拟電信号轉換為離散化初始随機序列；資料後處理使初始随機序列的随機性提取，得到最終的随機序列。
行業現狀
随着量子資訊技術飛速發展，QRNG也取得巨大進步，QRNG的産生速率不斷提高，從離散變量發展到連續變量，探測技術也從單光子探測發展到普通的光電二極管探測，量子噪聲的帶寬也逐漸變寬。2021年，中國科學技術大學潘建偉院士團隊聯合浙江大學，通過研制矽基光子內建晶片和優化實時後處理，實作了速率達18.8Gbps的實時量子随機數發生器，相關研究成果以“封面論文”的形式發表于《應用實體快報》。
工信部也正式釋出了國内首個量子随機數發生器行業标準YD/T 3907.3-2021《基于BB84協定的量子密鑰分發（QKD）用關鍵器件和子產品第3部分：量子随機數發生器（QRNG）》，參編機關包括國盾量子、中國資訊通信研究院、中國電科、國科量子、華為、中興、北京郵電大學、山東量科、九州量子、濟南量子技術研究院等。
目前，國内主要量子通信公司的産品中都有量子随機數發生器。例如，科大國盾量子（QuantumCTek）、世融能量、神州國信量子、九州量子、中創為量子、循态量子、如般量子、啟科量子、安匠科技等。
國盾量子QRNG産品
世融能量QRNG産品
國外知名的QRNG供應商有瑞士ID Quantique(IDQ)，于2018年被南韓最大移動通信營運商SKT收購。2020年三星電子南韓電信商SK Telecom推出了Galaxy A Quantum量子手機，這是全球第一款具有量子随機數發生器(QRNG)晶片組的 5G 智能手機，後更名為Galaxy A71 5G，前六個月就突破了30萬的銷量。
該手機采用由 SK Telecom 的瑞士子公司 ID Quantique 開發的 SKT IDQ S2Q000 QRNG 晶片組，它通過量子密碼技術生成随機數并建立無法預測的安全密鑰，進而增強了裝置的安全性。
IDQ新一代Quantis QRNG PCIe
SKT IDQ S2Q00是世界上最小的 QRNG 晶片組（2.5mm x 2.5mm），使用 LED 和 CMOS 圖像傳感器，可建立具有不可預測模式的真正随機數。SKT IDQ S2Q00晶片的核心包含一個發光二極管（LED）和一個CMOS圖像傳感器。由于量子噪聲，LED發出随機數的光子，這些光子由CMOS圖像傳感器的像素捕獲并計數，進而提供了一系列原始随機數，可以由使用者應用程式直接通路。這些數字也被饋送到随機位生成器算法（RGB），該算法進一步提取量子起源的熵，以産生符合NIST 800-90A / B / C标準的随機位。相較于現在使用的公鑰和私人秘鑰以及數字證書等加密方法，晶片通過量子密碼技術生成随機數，安全密鑰無法被黑客預測，進而增強裝置終端和資料的安全性。2021年推出第二代量子加密手機Galaxy Quantum 2。IDQ新一代Quantis QRNG PCIe的最高速率是240Mbps。
其他QRNG供應商還包括英國的KETS Quantum、Quant.um Dice、Crypta Labs、劍橋量子計算公司，德國的InfiniQuant、PicoQuant，美國的Whitewood Encryption Systems、Quantum Xchange，加拿大的Quantum Numbers、evolutionQ，澳洲的Quintessence Lab，西班牙的Quside，日本的東芝等。在美國、歐洲、日本等國家和地區，量子保密通信網絡建設相對緩慢，但是量子随機數發生器的商業化水準較高。目前，商用QRNG随機數産生速率最高為1Gbps左右。根據Inside Quantum Technology(IQT)的預測資料，到2025年，QRNG市場将突破60億美元，到2030年将突破140億美元。
市場應用
QRNG是量子技術的第一個大衆市場，可應用于智能手機、物聯網（Internet of Things）IoT、金融、資料中心、電信、政府和軍隊、博彩以及R&D等。其中第一代量子手機已獲得成功，除上面提到的Galaxy A Quantum和Galaxy A Quantum 2外，越南手機廠商VinSmart推出的第一款5G智能手機Vsmart Aris 5G也內建了IDQ的QRNG安全晶片。
2022年，北方雷科釋出首款北鬥量子手機，它基于量子密鑰分發技術打造，能夠為正在通信的雙方生成一個真随機的安全密鑰，用于加密和解密彼此的通話、短信内容。對量子系統的觀察，将會改變量子系統，是以即使有人能夠巧合破譯出量子密鑰，那麼通話雙方也會第一時間察覺到有人在竊聽，因為量子密鑰内容已經被改變了。
2021年，雲南省内首次嘗試應用“招标投标+量子技術”的創新探索，采用九州量子自主研發的QRNG産品為該項目提供随機數源，在“昆明繞城高速公路東南段營運期10kV供電線路營運維護”項目中采用量子随機抽取技術完成評标專家抽取工作，運用量子随機抽取技術的“絕對随機”代替過去傳統算法的“相對随機”，使評标專家抽取結果不可重複、不可預測，讓公共資源交易環境更加陽光透明。
九州QRNG産品